Айзек Азимов - Вид с высоты
Атомистическое учение было пересмотрено в первом десятилетии XIX века английским химиком Джоном Дальтоном. Он также считал, что все состоит из атомов, которые комбинируются и переходят из одного сочетания в другое в различных пропорциях, образуя все известные нам вещества.
В эпоху Дальтона понимание природы элементов приблизилось к современному, и он уже мог говорить об атомах углерода, водорода или кислорода, а не об атомах огня и воды. Далее, в течение XVII и XVIII столетий в области химии было сделано множество открытий, для объяснения которых атомистическая теория оказалась крайне плодотворной. В результате предположение о существовании атомов (по-прежнему невидимых) оказалось гипотезой гораздо более полезной, чем во времена древних греков.
Но теперь Дальтон столкнулся с той же проблемой, что и греки. Как можно различать невидимые атомы?
Что ж, наука в канун XIX века уже перестала быть геометрической и стала просто метрической. Теперь она основывалась на измерении трех основных свойств: массы (обычно неправильно называемой весом), расстояния и времени. Этих трех измерений было достаточно, чтобы управляться с механистической Вселенной Ньютона.
Поэтому Дальтон, сообразуясь с формой мышления своих современников, игнорировал структуру и форму атомов. Все атомы для него были сходными маленькими шариками, не имеющими внутренней структуры. Он механически перенес понятие о массе, расстоянии и времени в свою теорию об атомах. Но из всех понятий он оперировал только понятием о массе. По Дальтону, все атомы одного элемента имеют одинаковую массу, которая, однако, отличается от массы атомов любого другого элемента.
Дальтон пошел в своих исследованиях дальше и (по-видимому, это самая большая его заслуга) попытался определить, каковы же эти различные массы.
Тогда речь вовсе не шла об определении массы атома в граммах. Сделать это оказалось возможным лишь много лет спустя. Совсем иное дело — определять массы относительно друг друга.
Например, атомы водорода и кислорода соединяются и образуют молекулу воды. («Молекула» — название, применимое к любому достаточно стойкому сочетанию атомов.) Можно установить путем химического анализа, что при образовании воды каждый грамм водорода соединяется с 8 граммами кислорода. Аналогично можно доказать, что при образовании метана 1 грамм водорода всегда соединяется точно с 3 граммами углерода. И, конечно, когда 3 грамма углерода соединяются точно с 8 граммами кислорода, то образуется окись углерода.
Таким образом мы определяем эквивалентные веса, то есть относительный вес различных элементов, остающийся неизменным при образовании соединений. (Соединение — это вещество, молекулы которого состоят из нескольких видов атомов.) Если произвольно установить, что эквивалентный вес водорода равен 1, то эквивалентный вес углерода будет равен 3, а кислорода — 8.
А какое это имеет отношение к атомам? Дальтон начал с простого предположения (это не мешало бы делать всем), а затем решил, что один атом водорода, соединяясь с одним атомом кислорода, образует воду. Если бы это было так, то атомы кислорода были бы, по-видимому, в 8 раз тяжелее атомов водорода; лучшего объяснения, почему 1 грамм водорода соединяется с 8 граммами кислорода, не найдешь. Как видите, число атомов обоих элементов одинаковое, но атомы кислорода тяжелее атомов водорода в 8 раз.
Следовательно, если произвольно установить, что атомный вес водорода равен 1, то атомный вес кислорода будет равен 8. По той же причине атомный вес углерода будет равен 3, если молекула метана состоит из одного атома углерода, соединяющегося с одним атомом водорода.
И сразу же неизбежно возникает вопрос: насколько правомерно предположение Дальтона? Непременно ли один атом соединяется только с одним атомом? Нет, не обязательно; 3 грамма углерода, соединяясь с 8 граммами кислорода, образуют окись углерода, а 3 грамма углерода, соединяясь с 16 граммами кислорода, образуют двуокись углерода.
Тогда можно предположить, что молекула окиси углерода состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода, и, обозначив углерод буквой С, а кислород буквой О, написать формулу молекулы окиси углерода — СО. Но если углерод соединяется с двойным количеством кислорода и образует молекулу вещества, обладающего другими свойствами, то на основе учения об атоме можно предположить, что каждый атом углерода соединяется с двумя атомами кислорода и образует двуокись углерода. Следовательно, формулу двуокиси углерода можно написать как СO2.
С другой стороны, если вы считаете, что молекула двуокиси углерода — это СО, то молекула окиси углерода будет С2О. Первое предположение, о котором говорилось выше, оказывается верным, однако в обоих случаях мы имеем дело с молекулой, в которой атом одного элемента соединяется с двумя атомами другого.
Если признать, что молекула может содержать несколько атомов определенного вида, то придется пересмотреть нашу структуру молекулы воды. Должна ли она состоять из одного атома водорода и одного атома кислорода согласно формуле НО? А что, если формула будет другой? Например, НO2, или НO4, или даже Н17O47?
К счастью, имеется способ разрешить наши сомнения. В 1800 году два английских химика, Уильям Никольсон и Энтони Карлайл, доказали, что, пропустив через воду электрический ток, можно получить газообразные водород и кислород. Тотчас же было установлено, что водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Таким образом, хотя масса кислорода в воде была в 8 раз больше массы водорода, по объему водорода было вдвое больше, чем кислорода.
Имело это какое-либо значение? Трудно сказать. Атомы газообразного водорода могли быть расположены друг от друга вдвое дальше, чем атомы газообразного кислорода, и поэтому разница в объеме, возможно, не имела никакого отношения к числу полученных атомов.
Однако в 1811 году итальянский химик Амедео Авогадро высказал предположение, что поведение газов при образовании химических соединений нужно объяснять исходя из того, что равные объемы различных газов содержат равное число частиц. (Этими частицами могли быть или атомы, или молекулы.)
Следовательно, если объем водорода, полученного при электролизе воды, будет вдвое больше объема кислорода, то и частиц в объеме водорода будет вдвое больше. Предположение, что эти частицы — атомы (или молекулы, содержащие одинаковое число атомов), оказалось верным. Из него следует, что в молекуле воды атомов водорода вдвое больше, чем атомов кислорода.
Тогда для воды не пригодна формула НО — должна быть хотя бы формула Н2O. Если 8 граммов кислорода соединяются с 1 граммом водорода, то это значит, что единственный атом кислорода в 8 раз тяжелее двух атомов водорода. Если мы все же примем атомный вес водорода равным 1, то атомный вес кислорода будет тогда равен 16.
Аналогичным образом в конце концов была установлена формула метана, СH4, так что один атом углерода должен быть в три раза тяжелее, чем все четыре атома водорода, вместе взятые. (Вспомните, что эквивалентный вес углерода равен 3.) Следовательно, если атомный вес водорода равен 1, то атомный вес углерода равен 12.
«Правило Авогадро» (так назвали предположение итальянского ученого) помогло решить и еще одну проблему. Один литр водорода, соединяющийся с одним литром хлора, образует хлористый водород. Было бы справедливо предположить, что молекула хлористого водорода состоит из одного атома водорода и одного атома хлора. И тогда формула хлористого водорода (если обозначить хлор символом Cl) выглядела бы так: HCl.
Литр водорода и литр хлора, согласно правилу Авогадро, содержат одинаковое число частиц. Если предположить, что частицы состоят из отдельных атомов, то число молекул образовавшегося хлористого водорода должно быть равно только половине общего числа атомов водорода и хлора, взятых для реакции (так же как число супружеских пар равно половине общего числа мужчин и женщин, если предположить, что все состоят в браке).
Итак, казалось бы, полученный газообразный хлористый водород должен составить по объему только половину общего объема исходных водорода и хлора. Один литр водорода плюс один литр хлора (всего два литра) должны образовать лишь один литр хлористого водорода.
Однако этого не получается. Один литр водорода и один литр хлора, соединяясь, образуют два литра хлористого водорода. Общий объем газа не меняется, и поэтому не может измениться и общее число частиц. Проще всего разрешить эту дилемму, предположив, что газообразные хлор и водород состоят не из единичных атомов, а представляют собой скопление молекул, каждая из которых состоит из двух атомов.
Но молекула водорода (Н2), соединяясь с одной молекулой хлора (Сl2), образует две молекулы хлористого водорода (НСl, НСl). Не изменяется ни общее число частиц, ни общий объем. Аналогично можно показать, что газообразный кислород также состоит из молекул по два атома (O2).
